Casimir e la tangibile forza del vuoto

È possibile ottenere una forza dal nulla? La risposta negativa è certamente scontata. Vi potreste però meravigliare sapendo che da un bel po’ di tempo riusciamo invece a ottenere una forza dal vuoto. Ciò che può apparire come un sofisma linguistico è invece una delle scoperte rivoluzionarie della Fisica del XX secolo che ha tante applicazioni. Questa volta ne vedremo una delle più curiose.
Il punto cruciale riguarda la natura fisica del vuoto, che può anche essere descritto dal concetto intuitivo che tutti hanno di tale termine. Il vuoto è ciò che rimane se svuotate un qualunque contenitore da tutte le sue particelle ivi presenti. Questo, però, non implica che tale vuoto non possegga affatto energia, come erroneamente si dava per scontato prima dell’avvento della Meccanica Quantistica negli anni ’20-‘30 del secolo scorso. E nemmeno che tale energia non possa, in qualche modo, essere sfruttata.

 

 

Il “trucco” lo fornisce quello che va sotto il nome di principio di indeterminazione di Heisenberg. Nel caso che ci riguarda, possiamo descriverlo così: in un qualunque fenomeno fisico di durata finita (ossia non infinita), l’indeterminazione dell’energia coinvolta non può mai essere nulla. In altre parole, non possiamo mai essere certi del valore preciso dell’energia coinvolta in un dato fenomeno, se questo ha una durata limitata. Ciò, tuttavia, non vuol dire che non possiamo conoscere l’energia di un certo fenomeno, ma “solo” che per quel valore dell’energia sono permesse delle fluttuazioni, che hanno esse stesse un valore ben determinato dalla Meccanica Quantistica. Così, ritornando al nostro caso, possiamo certamente creare un vuoto in cui eliminiamo ogni particella e, in generale, ogni forma di energia, ma non è possibile eliminare completamente delle fluttuazioni intorno a quel valore nullo dell’energia.

E se pensate che queste fluttuazioni siano sempre piccole, com’è facilmente immaginabile, vi potreste sbagliare di grosso: purché abbiano una durata limitatissima, le fluttuazioni dell’energia possono assumere anche grandi valori. Un esempio, ben accertato dagli esperimenti condotti da parecchi decenni a questa parte, può aiutare a comprendere meglio. Immaginate di avere un raggio di luce, con energia sufficientemente elevata, che viaggia nel vuoto. Se tale vuoto non possedesse alcuna forma di energia propria, la luce dovrebbe continuare il suo viaggio completamente indisturbata. Invece quello che si può osservare in talune condizioni sperimentali è che in un certo istante il raggio di luce “scompare”, dando origine addirittura a una coppia di particelle massive con carica elettrica opposta, come per esempio un elettrone e un positrone, o un quark e un antiquark. Tale coppia di particelle, però, ha una vita brevissima, in ossequio al principio di indeterminazione di Heisenberg, al termine della quale esse scompaiono e al loro posto ricompare di nuovo il raggio di luce iniziale. Naturalmente la comparsa della coppia di particelle induce modifiche nella propagazione della luce, che sono state effettivamente misurate in innumerevoli e diversissimi esperimenti.
Le cose sorprendenti non finiscono qui, poiché, tramite queste fluttuazioni, possiamo perfino modificare la “struttura” stessa del vuoto. La prima idea su questo venne all’olandese Hendrik Casimir nel 1948, quando lavorava ai Laboratori di Ricerca Philips a Eindhoven. Immaginate di collocare due specchi (riflettenti da entrambe le proprie facce) nel vuoto, l’uno di fronte all’altro. L’unica cosa che gli specchi possono fare è quella di riflettere la luce che incide su di essi. Nel vuoto, però, non vi è neanche la luce, ma questa può essere ugualmente generata dalle fluttuazioni del vuoto, per brevissimi istanti di tempo. Le fluttuazioni del vuoto che si generano nello spazio tra i due specchi, però, sono diverse da quelle che si generano nelle due regioni all’esterno degli specchi. Infatti, nella regione tra i due specchi si possono generare solo determinate fluttuazioni che si estendono da uno specchio all’altro, mentre nelle regioni esterne l’unica limitazione è che esse inizino o terminino su una faccia dello specchio. La situazione è analoga a quella che si presenta quando pizzicate una corda di chitarra. Se la corda la tenete fissa solo a un estremo, potete generare le vibrazioni (e quindi i suoni) che hanno una qualsiasi lunghezza, basta che inizino da quell’estremo. Se, invece, la corda è fissata a entrambi gli estremi, proprio come su una chitarra, le vibrazioni che potete generare sono solo quelle che iniziano a un estremo e terminano all’altro. Nel caso degli specchi nel vuoto, ciò vuol dire che l’energia totale delle fluttuazioni che si generano tra gli specchi è un po’ più piccola di quella delle fluttuazioni all’esterno degli specchi. Tale differenza di energia si manifesta in una forza attrattiva tra i due specchi, così come si attraggono due palline collegate da una molla caricata un po’ meno delle due molle che legano le palline all’esterno.
L’effetto Casimir si manifesta apprezzabilmente solo se i due specchi sono molto vicini tra loro, poiché in caso contrario le fluttuazioni nella regione interna agli specchi non sono molto diverse da quelle all’esterno. Ad esempio, due specchi con un’area di un centimetro quadrato, separati da una distanza di solo un millesimo di millimetro, si attraggono con una forza circa equivalente a quella del peso di una goccia d’acqua di mezzo millimetro di diametro. Una forza davvero piccola. La situazione cambia completamente per distanze molto più piccole, di circa un centomillesimo di millimetro (una distanza solo un centinaio di volte più grande del diametro tipico degli atomi), dove la forza di Casimir produce un effetto equivalente a quello della pressione atmosferica.
Tutto molto astratto? Se pensate questo, allora dovreste rinunciare all’air-bag della vostra auto, dove nei sensori di pressione che lo azionano è attivo proprio l’effetto Casimir. Più in generale, tale effetto è sfruttato nei micro-sistemi elettromeccanici (MEMS) utilizzati nelle nanotecnologie, dove le informazioni processate elettronicamente sono acquisite tramite elementi meccanici e parti mobili microscopiche e sensibilissime.
È proprio vero, quindi, che se non si può cavare sangue da una rapa, si può tuttavia ricavare energia dal vuoto!

S. Esposito, fisico